在有限电导率光栅的微分理论中引入校正傅里叶展开方法,改善了计算收敛性.运用改进后的微分理论对软X射线波段掠入射金属光栅的闪耀特性做了数值分析,通过详细考察三角槽形、正弦槽形和矩形镀金光栅的软X射线-1级衍射效率对光栅结构参数和入射光状态参数的响应程度,给出了一种在使用和制作工艺上都能够接受的光栅技术指标.结果表明,作为闪耀波长为10.33 nm的软X射线波段掠入射镀金光栅,采用81°入射的刻线密度为1 200 l/mm,倾斜角为2°,顶角大于120°的三角槽形光栅较为合适,其效率可达到50%以上.同时,得到了一些优化软X射线波段掠入射金属光栅设计的新结论.

保证磁流变液成分的稳定,即保证磁流变液零磁场粘度的稳定,进而保证抛光过程中材料去除模型的稳定,是磁流变抛光技术实现确定性加工的必要条件.讨论了研制的磁流变液循环控制系统,通过检测磁流变液在喷嘴中的沿程压力损失来测量磁流变液零磁场粘度,并针对其粘度控制是大时延系统的特点,采用灰色预测控制算法,实现了磁流变液零磁场粘度的闭环控制,较好地解决了磁流变液的成分稳定控制问题.

提出了一种基于生物信息学中双DNA序列比对算法的图像立体匹配新方法.图像立体匹配和生物信息学中双DNA序列比对的实质都是在匹配准则下搜索最佳匹配基元,因而新颖地将双序列比对算法引入图像立体匹配.首先介绍了基于动态规划的双序列比对算法原理及其用于图像立体匹配的实现方法,然后根据左右摄像机的最大视差是一个有限定值,进行了算法改进,极大地减少了计算量,并给出了VC6.0中的实现流程,最后采用4组不同的图像对进行了实验验证.该方法具有较低的计算复杂度和适宜于并行计算的特点,生成的视差图效果表明双序列比对算法为图像立体匹配提供了一个实用有效的方法.

根据背景与目标具有不同的运动特性这一事实,提出一种基于背景运动补偿和假设检验的目标检测算法.首先,采用特征点对应法求相邻帧间的运动;然后,用最小二乘法计算出摄像机仿射运动参数,利用此参数进行帧间背景运动补偿后得到稳定的背景;最后,用假设检验方法检测补偿后的帧差图像,经过简单的形态学和连通区域处理后检测出运动目标.仿真表明,该运动补偿算法能有效消除背景突出目标,补偿前后的差分图像信噪比提高了14.71 dB.该算法计算量小,可以成为一种通用的实时目标检测算法.

基于图像的三维恢复技术的目的是采用单幅图像中物体表面的明暗变化来恢复其表面各点的相对高度,从而对三维物体进行曲面恢复.提出了一种基于径向基函数网络模型进行图像三维恢复的新方法,建立了径向基函数的网络模型,并构造出一个曲面公式,其中输出对两个输入变量的偏导数满足反射函数方程,反射函数方程中的灰度值已知,利用反射函数与灰度值之间的误差作为约束条件调节网络权因子、径向基函数中心和宽度,使得构造的曲面中每一点都满足反射函数方程,从而拟合整个曲面.该方法无需光滑约束和积分约束条件,求出的解是一个连续解.通过不同方法对合成图像圆球和花瓶的实验表明,该算法恢复的曲面的高度点最大误差精度提高1倍到4倍,平均误差精度提高5倍到20倍,恢复的曲面具有良好的连续性和光滑性,它不仅可以恢复图像中各网络点的高度,而且可自动内插网络点之间任意点,适合于任意反射模型图像的曲面反求,恢复出的曲面便于进行后置处理生成刀具路径,并进行雕刻加工.

对基于机器视觉的薄片零件尺寸检测系统进行研究.针对计算机硬盘弹性臂薄片零件的尺寸检测,采用线阵工业相机扫描获取待检零件图像,根据扫描特性提出了标定算法,同时提出了一种轮廓矢量化算法.将经过滤波、标定、二值化、边缘提取和细化的图像进行轮廓矢量化得到待检零件的尺寸参数,并与从设计图DXF文件中读取的零件的相应尺寸参数进行对比,判断零件制造质量.实测结果表明,检测系统的轮廓矢量化精度达到1 pixel,检测精度达到1 μm,平均每个零件的检测时间为1 s,该检测系统是可行的.

在研究数字全息技术的基础上,提出了一种新的加密的同轴全息数字水印方法.该方法包括加密和解密两个过程.加密过程首先将原始二值水印图像经过输入面和频谱面上分别放置随机相位模板进行调制加密,生成加密的复释枷?将其作为物光信息,再与参考光信息叠加生成同轴全息图像,然后将其作为水印嵌人到载体图像中;解密过程是加密过程的逆过程,水印重建不需要原始图像的参与,属盲检测过程.在理论分析部分证明了该水印技术的有效性,在仿真实验部分证明了该水印技术具有抗随机噪声干扰、剪切干扰、有损压缩和低通滤波等常见的干扰能力.文中还详细研究了全息数字水印的嵌入强度及对应恢复水印的效果.

为了从红外热图像中识别和跟踪目标,提出了一种采用数学形态学和小波变换相结合的红外图像处理新方法.该方法首先利用形态开、闭滤波器组对原始图像进行平滑处理;然后采用一种改进的数学形态学的分水岭算法对红外图像进行分割,同时利用考虑了图像纹理信息的小波阈值对分割的图像进行滤波处理;最后针对过分割问题提出了一种利用区域灰度中值对分割区域进行融合处理的算法.实验结果及算法性能评估结果表明,该方法能够较好地解决红外目标的识别问题,具有较好的实用性.

非刚性配准是医学图像处理的一个重要的研究方向.基于光流场模型的Demons算法由于仅依赖图像灰度梯度使图像变形,当缺乏梯度信息时图像的变形方向不能确定,因而容易造成误配准,且该算法只适合于单模态图像配准.本文针对最大互信息配准方法在多模态刚性配准中的成功应用,提出了一种可用于多模态图像配准的改进Demons算法.该方法在原有驱动图像变形力的基础上,增加两幅图像问互信息对当前变换的梯度作为附加力作用,使浮动图像向两图像间互信息增大的方向变形,正确地配准图像.为避免陷入局部极值并提高算法的运行速度,该方法在多分辨率策略下实现.使用单模态、多模态图像分别进行实验来验证此算法,并与原始Demons算法进行比较,实验表明,该方法能够快速地产生准确的配准变换.

提出了一种用于连续扫描光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)的干涉图采样系统,将激光干涉信号用Hilbert变换产生正交信号,由于相位反转点的存在,导致Hilbert变换产生的信号出现畸变,对变换结果进行了修正.该信号和原信号成为两个互相正交信号,利用这两个信号整形后的相位关系可得到光程扫描的起始点和光程扫描的方向.根据光程扫描的起始点和方向选择可上升沿部分的参考光和测试光于涉信号,用改进的Brault算法重新得到等光程间隔抽样的干涉图.该设计方法可以用DSP技术实现简单、紧凑型的采样系统,不仅可提高FFTS的信噪比,还可以推广到传统的傅里叶光谱仪中.

建立了一个10 Gbit/s光纤传输系统平台,实现了10 G光信号无中继、无误码传输,系统采用了NRZ码、高性能的GaInAsP多量子阱DFB激光器、LiNbO3电光调制器.进行了系统的传输实验,得到了系统的各项指标参数,分析了影响系统传输质量的因素,研究了传输系统中的一些关键问题.无中继距离为84 km,采用了CWDM技术对信号进行复用.在误码率为10-12时,接收机的最小接收光功率可达到-26.76 dBm.系统的功率代价为0.49 dB,没有出现误码率平台.实验还对发送光信号的消光比与接收机灵敏度之间的关系进行了研究,连续观察24 h无误码.

分析了垂直式加工中加工区域光强分布不对称的原因,从理论上总结出改进这种不对称的方法.在分析了仅引入单个透镜就能实现这一改进的可行性后,实验验证了这种改进方法.未改进之前加工出的光波导其端口两个方向直径之比为10∶1,甚至更高;而改进后的比例则非常接近1∶1.通过对光强不对称的改进,该方法有光路简单,无能量损失的优势.

利用菲涅尔衍射理论推导出高斯型激光脉冲的回波计算方法,建立了斜坡、阶梯和植被三种标准漫反射地物的回波模型,以GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)系统为例,通过数值计算得到了标准漫反射地物的回波信号波形,分析了回波波形与三种地物模型参数、光束扫描角之间的关系.仿真计算结果表明:斜坡回波信号波形近似为单个高斯波形,其峰值和脉宽与斜坡倾角、光束扫描角有关;阶梯回波信号波形近似为多个高斯波形,其峰值与光斑内阶梯分布有关;波形的中心位置差与阶梯高度和光束扫描角有关;植被回波信号波形呈现出多个类高斯型,其峰值不仅与植被的位置有关,还与植被的面积有关.这些结论为地形地貌的反演及地表资源分布的分析提供了理论基础.

基于蒙特卡罗(Monte Carlo)方法建立了非视线光传输多次散射模型,引人大气光传输系统脉冲响应峰值大小,定量计算了单次散射近似研究非视线光传输时的误差大小.结果表明:大气吸收系数ka对误差影响较小,误差随大气散射系数ks和非视线传输光程S的增大而增大;当P值(ks×S)＞3时,由于多次散射作用明显,误差＞80%;当P＜3时,误差随P值减小而减小,P＜0.3时,误差＜10%,此时单次散射近似可用来研究散射大气中非视线光传输问题.

对FY-2扫描辐射计的光机结构进行了简化,确定出在其南北步进中对杂散光模板变化产生影响的仅仅是折镜边缘,据此结论对产生一级杂散光的相关机械边框建立空间坐标,通过投影方法得出在任意步进位置的杂散光进入区域,并通过对杂散光区域的像元数计数和制作视频文件的方式检查其变化的连续性.从信号光分布最小的世界时19时图像出发,使用快速卷积的方法,进行了点光源、月牙状亮边和地球全图的模拟杂散光形成的计,得出的结果与实际杂散光的现象较为接近,成为进一步以图象处理方式消除杂散光的基础.

在分析CROSSBAR网络(CN)和BANYAN网络(BN)结构的基础上,提出了一种新的扩展BANYAN网络(EBN)可重构无阻塞结构.以8×8矩阵光开关为例,分析了EBN结构的两种形式及其可重构无阻塞特性,给出了开关单元驱动逻辑.从理论上计算了SiO2波导EBN结构矩阵光开关的光学损耗和功耗.对于8×8开关,插入损耗为3.3 dB.按理论计算设计制作了8×8矩阵光开关,测得波导传输损耗为0.1 dB/cm,光纤-波导耦合损耗为0.5 dB/point.光开关插入损耗为4.6 dB,平均串扰为-38 dB,平均偏振相关损耗为0.4 dB,开关平均功率为1.6 W,响应时间约为1 ms.实验结果与理论计算基本符合.

提出了一种基于多尺度小波降噪的数字散斑相关搜索方法.选用symlets小波,对分别存在高斯白噪声、椒盐噪声及泊松噪声的散斑位移图像进行多级小波分解,采用不同的降噪策略处理后再进行相关搜索.计算结果表明,多尺度小波降噪的数字散斑相关搜索方法与传统空域相关搜索方法相比,其测量精度提高了一个数量级,相对误差可以控制在1%以内;同时,其计算效率提高了1倍.

建立了高增益PID闭环控制系统,在"直流伺服电机+滚珠丝杠"驱动机构上实现了大范围的纳米定位.对于"伺服电机+滚珠丝杠"驱动系统来说,摩擦是实现纳米定位精度的主要障碍,它影响着系统微动特性并导致稳态误差.针对这种驱动系统,在根据标定参数计算得到的线性传递函数的基础上,设计高增益不完全微分、比例反馈PID控制器,配置闭环控制系统的极点为负实轴上的多重极点,避免了摩擦力建模和补偿.实验结果表明,该高增益闭环控制系统有效地抑制了摩擦等非线性因素的影响,在系统的宏动和微动特性阶段都可以实现单步的纳米定位并取得了一致的响应,10 nm～10 mm阶跃响应的稳态误差不超过±2 nm.

理论分析了负脉冲电流对铸层的修饰作用,采用正负间断脉冲电流和正间断负连续脉冲电流进行了相应的微电铸的实验研究.实验采用的微电铸器件是特征宽度为90 μm的微流控芯片的金属模具.微电铸实验主要包括三个步骤:制作SU-8胶胶模,微电铸和去除SU-8胶.为了对实验结果进行对比分析,两组实验的工作时间和电流强度均采用240 min和2.5 A/dm2.将正负脉冲电流微电铸与正脉冲电流微电铸的实验结果进行了对比分析.研究结果表明,正负间断脉冲电流能够获得较好的器件铸层均匀性.由于在负向脉冲的间断时间内,铸层表面附近的浓度极差得以改变,因此正负间断脉冲电流微电铸的铸层均匀性优于正间断负连续脉冲电流微电铸.实验结果与理论分析结果相一致.

提出了激励和接收均使用电容式叉指换器(Capacitive Interdigital Transducers,CIDT)的集成化的电容式Lamb 波器件.利用电容式叉指换能器直接激励和接收Lamb波非对称模式的方式,解决了机电耦合效率的问题.在分析各种电容检测电路的基础上,针对Lamb波电容式检测的特殊性,选择了直流电路法来进行接收电容变化规律的测量.为说明直流电路法的适用性,设计了波动检测验证实验.实验结果表明:用直流电路法测量得到的声波信号与其理论计算值之间误差仅为2.4%,证明了直流电路法的适用性,解决了目前Lamb波器件的功能材料层的制作工艺均与传统集成电路工艺不兼容的问题.

提出了一种利用三维人体点云数据测量人体关键尺寸的方法.应用线结构光激光三维扫描仪对特定站姿的人体进行扫描,获得完整三维人体点云.根据人体视线和脚尖的同向及两腿的自然分开特征,对点云进行方位调整,使人体朝向z轴正方向.利用手动删除和最大连通域删除相结合删除噪声点.确定人体的6个特征点和20个特征平面,分别应用对应截面y坐标差值法测量长度尺寸,凸壳法测量截面周长,测量了34个人体关键长度和周长,对影响测量精度的因素进行了分析.结果表明,典型尺寸测量误差小于3%,可满足人类工效学等领域快速测量人体特征尺寸的要求.

阐述了一维光纤阵列的研制方法,分析了V型槽法中硅V型槽腐蚀机理,计算了V型槽的开口及间距与光纤半径及纤芯截面圆心距的关系,给出了最小槽深与光纤半径及V型槽开口的关系式.用各向异性腐蚀技术制作了硅V型槽,比较了紫外及红外粘接剂的性能,进行了光纤的排列、粘接及抛光,制作出一维光纤阵列.用原子力显微镜测量光纤阵列表面粗糙度为纳米量级,用ZYGO数字干涉仪检测光纤的端头位置误差为3～5 μm.该项工作为二维光纤阵列的高精度制备奠定了基础.

为提高经光纤传输后光束方向的稳定性,提出了一种新的光纤端面精确定位方法.该方法针对光纤端面光能量中强模间噪声干扰的特点建立了约束抽样Hough变换,可实现对噪声的去除和对轮廓的准确提取,并根据轮廓的特征把特征点分为基元类和噪声类,对两类点分别进行约束抽样Hough变换,可显著减少存储所需要的内存空间,有效抑制噪声对轮廓的干扰,准确得到属于轮廓的特征点.根据各特征点对轮廓的贡献,采用弦长加权拟合法对轮廓点进行处理,从而得到轮廓的中心位置.实验结果表明,该方法对光纤端面的定位不确定度优于0.2 pixel,成像物镜放大倍数为10时,定位不确定度优于0.4 μm.

采用光纤测量技术实现航空叶轮泵高速转轴径向振动的检测,对检测系统的工作原理做了详细介绍.设计了新型的光纤测头,提出相应的补偿方案,并对补偿机理进行了详细的分析.对测试系统的特性进行了研究,得出位移特性调制函数表达式,给出了仿真曲线.理论计算和仿真分析表明,该测试系统能有效地消除因光源光强波动、光纤弯曲损耗、表面反射率等因素对输出特性的影响,可以在叶轮泵内部电磁干扰严重和高温等恶劣环境下实现对高速转轴径向振动的检测.实验测试结果表明,随着转轴转速由1 000 r/min提高到10 000 r/min,径向振动幅值单调增加,这与实际情况相符合.